Light RTM. Технологические проблемы и их устранение.

В настоящее время технология изготовления изделий из композиционных материалов в легких закрытых формах введением смолы под давлением (Light RTM) прочно утвердилась в качестве основного производственного процесса формования. Однако, как и все технологии, она имеет характерные проблемы и неотъемлемые слабые места.

Light RTM* или RTM Light –это процесс, использующий две подогнанные поверхности легкой формы из композиционного материала, между которыми помещается сухой армирующий наполнитель, перед тем, как две половины формы сжимаются под вакуумом, таким образом запирая комплект формы перед ведением смолы. После этого смола инжектируется в периферическую полость и пропитывает сухой армирующий наполнитель внутри формы. Применяются два затвора формы: один для исключения проникновения атмосферного воздуха, а другой –чтобы застраховаться от вытекания смолы из полости формы во время ее заполнения.

Этот технологический принцип прост, что и является основной причиной, по которой процесс используется многими формовщиками на производстве, применяющими его как предпочитаемый ими метод формования в закрытой форме. Однако время от времени происходит не полное формование или брак, что часто обусловлено неправильным представлением оператора, считающего, что процесс полностью контролируем и требует незначительного внимания к режимам эксплуатации формы или правильным производственным технологическим процессам.

Несомненно, что захват воздуха при частичном заполнении, сухие участки или пустоты являются наиболее общими дефектами. Полный список причин этих явлений сам по себе занял бы несколько страниц, поэтому ниже мы даем обзор наиболее общих причин возникновения дефектов и их устранения.

Воздушные пустоты

Использование вакуума –иными словами давления ниже атмосферного –по сути является основной причиной возможных воздушных пустот или пузырей в законченном отформованном изделии. Во время процесса формования воздух при атмосферном давлении пытается интенсивно войти в форму и, будучи примерно в 17000 раз менее вязким, чем смола, он таки с замечательной легкостью проникает туда через мельчайшие отверстия. Даже когда форма полностью заполнена смолой, она все еще остается под вакуумом перед загустеванием и отверждением смолы.

Возможно, вы удивитесь, узнав, что имеющие течь вакуумные затворы не являются причиной, как можно было бы ожидать, воздушных пустот. Однако, обычными источниками таких подсосов воздуха являются патрубки формы, прокладки и соединения труб, а также формы с трещинами. Как было описано выше, технология Light RTM использует два затвора; один затвор предотвращает вытекание смолы из формы, а другой, установленный дальше, на краю кромки формы, предотвращает доступ атмосферного воздуха. Источник высокого вакуума подсоединен к области патрубка между этими двумя затворами, что действует как пояс безопасности вокруг полости формы. Любая малая внешняя по отношению к затвору протечка попросту будет поглощена этим высоковакуумным поясом, пока уровень вакуума установленный внутри полости поддерживается на более низком уровне.

Не подлежит сомнению то, что инжектирующие смолу детали –будь то простые штуцера на трубках или более сложные клапаны –являются главным источником подсосов. Это может быть следствием поврежденных, а также неправильно установленных или плохо подогнанных О-образных кольцевых затворов. В действительности любые подлежащие герметизации отверстия или вкладыши в полости формы, включая сепараторы и вакуумные клапаны, всегда должны быть тщательно проверены на подсос.

Более скрытая причина образования пустот в отформованном изделии может быть обусловлена микротрещиной или в лицевой части формы, или в оболочке с обратной стороны формы. Это может вызвать основные проблемы, вызванные образованием полостей в отформованном изделии, и в этом случае источник подтекания, как печально показывает практика, определяется с трудом. Такие пустоты редко проявляют себя на внутренней поверхности формы точно в том месте, где находится микротрещина или место протечки с обратной стороны поверхности формы. Известно, что воздух просачивающийся в полость, мигрирует на некоторое расстояние сквозь ламинат формы прежде, чем войти в полость формы через ее растрескавшийся гелькоут. Тонкий слой каталитически активной смолы, нанесенный на внешнюю поверхность формы в то время, когда форма находится НЕ под вакуумом, может быстро устранить это явление. Если работа по ремонту выполнена в то время, когда форма находится под вакуумом, тогда течь будет просто засасывать смолу, используемую для ремонта, через канал протечки, часто делая такой ремонт не эффективным.

Сухие области

Образование в заполненной форме областей сухого, не пропитанного смолой армирующего стекловолокнистого материала, которые появляются в одном и том же месте, в основном вызвано несовершенством полости формы. Это несовершенство во время калибровки формы будет приводить к значительному отклонению по толщине полости, если, предположим, полость формы спроектирована так, что имеет постоянную толщину. В этом случае смола, если предоставится возможность, всегда растекается наиболее просто и предпочтительно через более толстые области полости, конечно в предположении, что при раскладке по полости формы распределен одинаковый вес стекловолокнистого материала.

В дополнение к проблемам, вызванным плохой калибровкой, причина в изготовлении деталей, которые были неаккуратно отформованы в форме, имеющей совершенную калибровку, может быть обусловлена тем, что ответные части комплекта формы не подогнаны или неправильно были соединены друг с другом. Положение осей x и y формы при соединении обычно устанавливается смонтированными сбоку штифтами. Это особенно важно для форм с плоскими или неглубокими, с уклоном, полостями. Без использования правильно расположенных штифтов, каждое соединение формы может не соответствовать проектному и, таким образом, вызывать непредсказуемые и изменяющиеся характеристики заполнения формы, появление сухих областей стекловолокна от одного цикла формования к другому.

Другая причина образования сухих областей, совсем близко, но не у самого вентиля или сепаратора, главным образом, обусловлена неправильным положением точки подсоединения сепаратора. Можно или расположить эту точку в другом месте или другое подсоединение может быть выполнено дополнительно в области сухого стекловолокнистого наполнителя, для удаления последних остатков захваченного воздуха.

Растрескивание углов

Трещины в гелькоуте отформованного изделия, обычно наблюдаемые на внешних радиусах, демонстрируют классическую проблему, связанную с областями богатыми смолой и могут быть отнесены к неправильному проектированию и изготовлению формы, в соответствии с чем вторя половина формы не точно совпадает с ответной частью и поэтому имеет локальную толщину угла больше, чем желаемая толщина основной полости формы. Вместо того, чтобы выбрасывать обратную часть формы и переделывать неточно изготовленную половину формы, иногда бывает допустимо скомпенсировать нечаянное увеличение превышения толщины путем наложения дополнительных полосок стеклоткани в этих более толстых областях угла для предотвращения растрескивания изделия.

Трещины в плоских зонах

Трещины, наблюдаемые в больших плоских областях отформованной детали, вызваны превышением толщины детали. Нарушение правильной технологии процесса Light RTM возможно в результате неадекватного контроля со стороны оператора или отсутствием понимания того качества контроля, который требуется относительно скорости заливки формы. Слишком быстрая инжекция смолы и, соответственно, высокая скорость заполнения формы, если это сопровождается быстрым отверждением прежде, чем форма имеет возможность обратно релаксировать до установленной толщины полости, может привести к высоко экзотермической реакции (из-за излишка инжектированной смолы) и растрескиванию отформованной детали. В чрезвычайных случаях это может вызвать даже неустранимое растрескивание самой поверхности формы.

Переполнение чаши для улавливания смолы (сепаратора)

Многие формовщики по-прежнему считают, что для приема предугаданного объема отводимой перед отверждением смолы требуется большой сепаратор. Это свидетельствует, главным образом, об их несостоятельности точно контролировать заполнение формы. Если форма наполняется слишком быстро, почти невозможно судить о том, когда необходимо остановить инжекцию смолы, потому что, если она остановлена тогда, когда смола только появилась в сепараторе, не должен вызывать удивления вид избыточного количества смолы втекающей в сепаратор, так как переполненная форма возвращается к своему первоначальному размеру. Для исключения вероятности возникновения этого случая, сепаратор надо заменить другим –с большим объемом, чтобы предотвратить наполнение сепаратора и попадание смолы в его вакуумную линию. Не вызывает сомнения, что эта ситуация означает необоснованную потерю дорогой смолы, если мы говорим о контролируемом процессе.

Простой ответ, как избежать этой ситуации, –знать, какой требуется объем смолы, заполняющей форму, подавать при ведении как раз требуемое количество и выливать в сепаратор всего несколько миллилитров смолы. При использовании сепараторов большего размера предположения о том, что каждое заполнение формы будет одинакового объема, –недостаточно. Необходимо рассмотреть другой подход. Для исключения любого сомнения наилучшим будет оптимизация процесса наполнения объема путем дополнительного применения точного технологического контроля давления, таким образом устраняя необходимость для оператора постоянно делать неясные оценки. Использование в процессе формования считывания показаний давления, которое обеспечивает точный автоматизированный контроль во время заполнения формы, при давлении чуть ниже атмосферного, является намного более квалифицированным методом заполнения формы и опровергает мнение о необходимости использования сепараторов большого объема.

Мы установили, что такая система, без сомнения, обеспечит равным образом полное заполнение формы с переполнением в диапазоне между 10 см3 и 100 см3 за заливку, ясно демонстрируя, что применение контроля давления сводит потери смолы к минимуму и выгодно.

Смола в области вакуумного фланца формы

Наличие смолы, затекающей в область между двумя внешними затворами формы, может являться результатом хотя бы одной из причин:

— неэффективная первоначальная герметизация.

— подсос в связи с плохой точность изготовления канавки затвора, особенно вероятно в областях, где основной затвор проходит не в горизонтальной плоскости. Часто, когда фланцы формы меняют плоскость своего расположения, основной затвор может быть менее эффективным в местах, где он описывается выпуклой кривой, и, таким образом, приводит к неэффективному запиранию. В этих зонах необходимо располагать затвор так, чтобы он проходил по пути, который обеспечит большее давление на затвор. Лучшее решение, если мы хотим иметь простые пассивные основные затворы, например, с грибовидным профилем, –установить подвижный затвор, который обеспечивает более податливое запирание для форм со сложными изгибами фланца. Эти затворы эффективны, когда форма закрыта и, таким образом, ответные части формы сцеплены и заперты, даже когда имеются неточности фланцев формы.

— если при укладке волокна в форму некоторые волокна неправильно расположены или недостаточно подрезаны, так, что они не располагаются в границах полости формы, таким образом пересекаясь с путем основного затвора, тогда это, несомненно, приведет к подтеканию смолы. Поэтому перед каждым циклом инжекции смолы очень важно проверять качество укладки волокна, чтобы устранить его любое неправильное расположение.

— другая общая ошибка, которая приводит к подтеканию смолы через уплотнение, может быть тесно связана с чрезмерным давлением в канале заполнения формы во время подачи смолы. Форма для Light RTM сжимается только атмосферным давлением, однако, машины для инжекции смолы могут развивать намного большее давления, чем те, которые в действительности требуются для процесса. Без точного и чувствительного контроля давления оператору самому приходится судить о том, как быстро и каким давлением будет нагружаться форма. Часто происходят ошибки, когда смола растекается так обильно, что она находит путь во фланце вакуумного соединения и вакуумной системы. Это также приводит к потере вакуума на фланцах, пагубному подсосу с края формы и вынужденному аварийному прекращению формования.

В заключении надо сказать, что потеря вакуума на фланцах, как в течение длительного времени, так и кратковременно, может вызвать подсос воздуха. Поэтому существенным является то, чтобы исключить одновременную работу с другими формами на этой же вакуумной системе, т.к. закрывание дополнительных форм требует значительного вакуума, что вызовет ощутимую потерю вакуума в форме с подсосом воздуха. Простой автоматический вакуумный запорный клапан в вакуумной линии фланцев уменьшит эту опасность, и такая возможность должна быть серьезно принята во внимание.

Как было указано в начале, эта статья не претендует на полный перечень проблем и способов их решения, с которыми можно столкнуться, однако, можно надеяться, что она показала наиболее вероятные проблемы, встречающиеся на практике, и дала наилучший совет для их исключения. (Журнал «Композитный Мир» №7)